汽修专业毕业论文-汽车常用转向系统的性能分析及常见故障诊断

摘要汽车转向性能是汽车的主要性能之一。转向系统的性能直接影响车辆的操纵性和稳定性。它在保证车辆安全行驶、减少交通事故、改善驾驶员工作条件等方面发挥着重要作用。本文综述了常用汽车转向系统的性能及常见故障诊断方法。关键词：汽车转向系统；性能分析；常见故障；诊断

汽车转向系统分类汽车的发展趋势是安全、节能、环保。转向系统是关系到车辆主动安全性的重要系统，其操纵稳定性对车辆性能有很大影响。机动性是指车辆准确地跟踪驾驶员的驾驶意图；稳定性是指需要危险工作条件的侧滑(高高速行驶，横向加速度大，分离力大，且大于轮胎侧偏力）；粘着系数小的道路侧滑；对于开路面在上部轮胎左右侧偏压力不相等以及侧风引起的偏航的情况下，车辆仍能稳定运行）。为了提高操纵稳定性，出现了ESP（电子稳定程序）、4WS（四轮转向）等。根据转向能量的不同，汽车转向系统可分为机械转向系统和助力转向系统，助力转向系统又分为液压助力转向系统和电动助力转向系统。机械转向系统简介机械转向系以⼈的体力作为转向动力，其中所有传力件都是机械机构，它由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。转向操纵机构从转向盘到转向传动轴这一系列零部件属于转向操纵机构。它包括转向盘、转向柱管、转向轴、上下万向节、转向传动轴等。转向器（1）循环球式转向器。循环球式转向器是由两套传动副组成的，一套是螺杆螺母传动副，另一套是齿条齿扇传动副或滑块曲柄指销传动副。（2）齿轮齿条式转向器。转向传动机构包括左、右横拉杆、转向减振器等组成。汽车转向时，转向器中齿条作横向移动，使左右横拉杆一个受压、一个受拉地移动。横拉杆外端的球头铰链带动左、右转向节臂和转向节绕主销转动，使得转向轮偏转一定角度。转向传动机构分为与非独非立悬架配用转向传动机构和与独立悬架转向传动机构。（1）与非独立悬架配用的转向传动机构与非独立悬架配用的转向传动机构主要包括转向摇臂、转向直拉杆转向节臂和转向梯形。在前桥仅为转向桥的情况下，由转向横拉杆和左、右梯形臂组成的转向梯形一般布置在前桥之后。当转向轮处于与汽车直线行驶相应的中立位置时，梯形臂与横拉杆在与道路平行的平面(水平面)内的交角＞90°。在发动机位置较低或转向桥兼充驱动桥的情况下，为避免运动干涉，往往将转向梯形布置在前桥之前，此时上述交角＜90°。若转向摇臂不是在汽车纵向平面内前后摆动，而是在与道路平行的平面向左右摇动，则可将转向直拉杆横置，并借球头销直接带动转向横拉杆，从而推使两侧梯形臂转动。（2）与独立悬架配用的转向传动机构当转向轮独立悬挂时，每个转向轮都需要相对于车架作独立运动，因而转向桥必须是断开式的。与此相应，转向传动机构中的转向梯形也必须是断开式的。液压助力转向系统简介液压助力转向系统（HydraulicpowerSteering,简称HPS）。是在机械转向系统的基础上加设一套液压转向加力装置形成的。其中属于转向加力装置的部件主要有：转向油罐、转向液压泵、转向控制阀和转向动力缸。分析可知，当车辆维持较低的速度前进时，转向盘开始转向，其转角逐渐增大，驾驶员开始施加外力，增大转矩，这时油压反力室压力上升，引发供油量增加，进而提供助力。由于采用机械配合电子控制，其可靠性往往非常高，但受液压系统先天条件限制，在使用过程中可能出现漏油、震动、稳定性随时间延长而降低等缺点。电动助力转向系统电动助力转向（简称EPS）系统是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的动力转向系统，是为了满足⼈们对假释轻便性的要求而产生的。它可以根据不同的使用工况控制电动机提供不同的辅助动力，这也符合当前电控技术与汽车技术相结合的趋势。电动助力转向系统的组成电动转向系统（简称SBWS）由转向盘模块、转向执行模块和主控制器（ECU）3个主要部分以及⾃动防故障系统、电源等辅助模块组成。转向盘模块包括转向盘、转向盘转角传感器、转矩传感器和转向盘回正力矩电动机。其主要功能是将驾驶员的转向意图（通过测量转向盘转角）转换成数字信号并传递给主控制器;同时接收主控制器送来的力矩信号，产生转向盘回正力矩，以提供给驾驶员相应的路感信息。电动助力转向EPS的原理电子控制动力转向系统是利用电动机作为助力源，根据转向参数和车速等，由微机完成助力工作的，其原理可概述如下。不转向时，电动机不工作；当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的转矩传感器不断检测转向轴上的转矩，并由此产生一个电压信号，该信号与车速信号同时输入电子控制器，由控制器中的微机根据这些输入信号进行运算处理，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转向，调整转向的辅助动力。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。转向盘转矩信号和车速信号经过输入接口送入微机，随着车速的提高，通过微机控制相应地降低助力电动机电流，以减少助力转矩。发动机转速信号也被送入微机，当发动机处于怠速时，由于供电不足，助力电动机和离合器不工作。点⽕开关的通断（on/off）信号经A/D转换接口送入微机，当点⽕开关断开时，电动机和离合器不能工作。微机控制指令经D/A转换后送入电动机和离合器的驱动放大电路中，控制电动机的旋转方向和离合器的结合。电动机的电流经驱动放大回路、电流表A、A/D转换接口反馈给微机，将电动机的实际电流与按微机指令应给的电流相比较，调节电动机的实际电流，使两者接近一致。汽车转向系统性能评价指标操纵性与稳定性汽车操纵性驾驶员以最少的修正而能维持汽车按给定的路线行驶以及按驾驶员愿望转动转向盘以改变汽车行驶方向的能力。操纵性能的评价：(1)在规定车速下，汽车质心曲线轨迹与转向盘转角的关系；(2)以规定角速度迅速转动转向盘以后，汽车转向横摆角速度随时间变化的关系；(3)汽车在圆周行驶时其转向盘上的作用力与汽车侧向加速度的关系。(4)为保证额定车速行驶的汽车轨迹曲率半径能按要求变化，必须在转向盘上施加的作用力。汽车稳定性汽车在行驶过程中具有抵抗力图改变其行驶方向的各种干扰，并保持稳定行驶的能力。汽车操作性和稳定性统称为车辆的操纵稳定性。影响操纵稳定性的因素：1）结构因素：①转向系性能参数（转向系传动比；转向系效率；转向器的啮合特性，转向系刚度等）；②车辆的重心位置、轴距、轮距、质量分配、轮胎型式和气压、悬挂导向装置等。2）使用因素：①道路状况；②气候条件；③左右车轮运动状态。转向操纵轻便性转向操纵轻便性——驾驶员操纵转向盘的容易程度。转向沉重容易使驾驶员产生驾驶疲劳或使车辆操纵失控而导致交通事故。通常采用转向助力装置。转向助力装置：液压助力、气压助力、电动机助力。最小转弯直径车辆在转向过程中，转向盘向左或向右转到极限位置时，车辆外转向轮印迹中心在其支承面上的轨迹圆直径中的较大者，称为车辆最小转弯直径。它表征车辆在最小面积内的回转能力和通过狭窄弯曲地带或绕过障碍物的能力。转向车轮的稳定效应当车轮在偶然受外力作用或转向盘稍微转动而偏离直线行驶时，转向轮应有自动回正恢复直线行驶的能力。转向车轮具有的保持自动返回直线行驶的能力，称为转向车轮的稳定效应。转向车轮的稳定效应与车轮定位角和轮胎的横向弹性有关。汽车转向轮的震动转向轮的震动——汽车在行驶时，出现转向轮的左右摆动和上下跳动。震动降低了汽车操纵稳定性，使轮胎磨损加剧，增加了转向机构的动载荷，降低零件使用寿命，影响行驶安全。转向轮的摆动与车辆悬架技术状况、车辆定位、车轮平衡有密切关系。转向系统常见故障检测诊断分析大多数汽车的转向轴是前轴。前轴与转向系的常见故障有前轮轮胎磨损不正常、转向盘自由行程过大、转向沉重、自动跑偏和前轮摆头等。前轮轮胎磨损不正常现象轮胎磨损速度加快，胎面形状出现异常。原因（1）轮胎气压不符合要求。（2）轮胎长期未换位。（3）轮胎质量不佳。（4）轮胎螺栓松动。（5）前轮定位不正确，尤其是前轮前束与前轮外倾配合不正确。（6）轮毂轴承松旷或转向节与主销松旷。（7）纵、横拉杆球头连接处松旷。（8）转向器在车架（或车身）上的连接松动或转向器内部的轴承处、主从动部分的啮合处松旷。（9）钢板弹簧与车桥连接的U形螺栓松旷。（10）钢板弹簧与其销的配合松旷。（11）前轮径向圆跳动或端面圆跳动太大。（12）前轮旋转质量不平衡。（13）前轮摆头。（14）前轴与车架（或车身）纵向中心垂面不垂直或车架（或车身）左右两边的轴距不相等。（15）前轴或车架（或车身）弯、扭变形。（16）前轴刚度不足。（17）转向横拉杆（尤其是弓形转向横拉杆）或转向横拉杆臂刚度不足。（18）前轮放松制动后回位慢或制动拖滞。（19）转向梯形不能保证两前轮纯滚动，出现过多转向或不足转向。（20）经常超载、偏载、起步过急、高速转弯或制动过猛。（21）经常行驶在拱度较大的路面上。诊断方法前轮轮胎磨损不正常示意图如下图1-1所示，其诊断流程图如图1-2所示。图图1-1前轮轮胎磨损不正常示意图前轮轮胎磨损不正常前轮轮胎磨损不正常察看胎面胎面磨损是否具有规律性？磨损系各部松旷、变形、使用不当或轮胎质量不佳等原因造成胎面中部磨损严重还是两侧胎肩磨损严重？磨损系轮胎气压过低造成磨损系轮胎气压过高造成胎面内侧胎肩磨损严重还是外侧胎肩磨损严重？磨损系前轮外倾过大造成磨损系前轮负外倾、轮胎长期不换位或前梁外端在垂直平面内向上弯曲造成胎面磨损是外重内轻且磨痕从内向外，还是内重外轻且磨痕从外向内？磨损系前轮负前束或前梁外端在水平平面内向后弯曲造成胎面是羽片状磨损，还是在胎肩处呈锯齿状磨损？磨损系前轮前束过大或前梁外端在水平平面内向前弯曲造成磨损系前轮前束过大或负前束造成。当前束过大时，左右前轮胎面上羽片状磨损的尖部指向汽车纵向轴线；当为负前束时，左右前轮胎面上羽片状磨损的尖部背离汽车纵向轴线磨损系前轮长期在超载情况下频繁使用制动，而又未按期换位等原因造成胎面是波浪状磨损，还是在胎肩处呈碟片状磨损？磨损系前轮旋转质量不平衡、前轮端面圆跳动太大或轮毂轴承、转向节、横拉杆、悬挂等处松旷等原因造成磨损系前轮旋转质量不平衡、前轮径向圆跳动太大、前轮摆头或轮毂轴承、转向节、横拉杆、悬挂等处松旷等原因造成结束图1-2前轮轮胎磨损不正常诊断流程图转向盘自由行程过大现象汽车静止，两前轮保持直线行驶位置，轻轻来回转动转向盘，感到游动角度很大。原因（1）转向盘与转向轴的连接处松旷。（2）转向器内主、从动部分啮合部位松旷或主、从动部分的轴承处松旷。（3）转向器垂臂轴与垂臂的连接处松旷。（4）纵、横转向拉杆的球头连接处松旷。（5）纵、横转向拉杆臂与转向节的连接处松旷。（6）转向节与主销配合处松旷。（7）轮毂轴承处松旷。诊断方法按诊断流程图所示方法诊断，如图1-3所示。转向盘自由行程过大转向盘自由行程过大检查各部连接情况转向盘与转向轴的连接处是否松旷？转向器主、从动部分的轴承处是否松旷？转向器主、从动部分啮合部位是否松旷？故障系松旷造成垂臂轴与垂臂的连接处是否松旷？纵、横转向拉杆的球头连接处是否松旷？转向节与主销的连接处是否松旷？故障系纵、横转向拉杆臂与转向节的连接处松旷或轮毂轴承处松旷造成故障系松旷造成结束图1-3转向盘自由行程过大诊断流程图转向沉重现象汽车行驶中驾驶员向左、右转动转向盘时，感到沉重费力，无回正感；汽车低速转弯或掉头时，转动转向盘十分费力。原因（1）轮胎气压不足。（2）转向器主动部分轴承预紧力太大或从动部分（垂臂轴）与衬套配合太紧。（3）转向器主、从动部分啮合处调整太紧。（4）转向器无油或缺油。（5）转向节与主销配合太紧或缺油。（6）转向节止推轴承缺油或损坏。（7）纵、横转向拉杆的球头连接处调整太紧或缺油。（8）与转向盘连接的转向轴弯曲或其套管凹瘪，造成刮碰。（9）主销后倾过大、内倾过大或前轮负外倾。（10）前梁、车架变形，造成前轮定位失准。诊断方法按诊断流程图所示方法诊断，如图1-4所示。转向沉重转向沉重检查前轮轮胎气压轮胎气压是否不足？故障系轮胎气压不足造成向转向节衬套、转向节止推轴承和纵、横拉杆各球头节处打油情况是否好转？故障系缺油造成拆下转向器垂臂下端的连接进行以下检查转动转向盘是否有碰擦现象？故障系转向轴弯曲或其套管凹瘪造成转动转向盘是否轻便灵活？故障系转向器主、从动部分的轴承或衬套太紧，主、从动部分的啮合处太紧或转向器内无油、缺油造成将横拉杆的一端拆下，用手板动前轮作转向动作板动前轮转向是否轻便灵活？故障系转向节与主销配合太紧或止推轴承损坏造成检查各球头节处是否配合太紧？故障系球头销与其座配合太紧造成故障系主销后倾过大、内倾过大或前轮负外倾造成结束图1-4转向沉重诊断流程图自动跑偏现象汽车行驶中自动跑向一边，必须用力把住转向盘才能保持直线行驶。

原因（1）两前轮轮胎气压不等、直径不一或车箱（厢）装载不均。（2）两前轮轮毂轴承或轮毂油封的松紧度不一。（3）两前轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角不等或前轮前束在两前轮上分配不均。（4）左、右钢板弹簧挠度不等或弹力不一。（5）前梁、后桥轴管或车架发生水平平面的弯曲。（6）车架（或车身）两边的轴距不等。（7）前、后桥两端的车轮有单边制动或单边制动拖滞现象。（8）前轮前束太小或负前束。（9）路面拱度太大或侧向风太大。诊断方法按诊断流程图所示方法诊断，如图1-5所示。自动跑偏自动跑偏在无侧向风和无拱度的道路上路试，如果汽车跑偏，进行以下检查两前轮胎面的磨损程度和气压是否一致？故障系两前轮的滚动半径不一造成车箱（厢）装栽是否均匀？汽车运行至正常工作温度后检查全车所有车轮左右两边的制动器和轮毂温度是否相等？故障系单边制动、单边制动拖滞或单边轮毂轴承、轮毂油封松紧不一造成继续进行以下检查车架左右两边的轴距是否相等？故障系车架、前梁在水平平面内发生弯曲变形，钢板弹簧U型螺栓松动或钢板弹簧座定位孔磨损变大等原因造成左右两边前悬架的高度（钢板弹簧为弧高）是否相等？故障系左右两边前悬架的高度不等造成前束是否太小或负前束？故障系前束太小或负前束造成故障系两前轮外倾角、主销后倾角或主销内倾角不等造成。一般情况下，汽车向前轮外倾角大、主销后倾角小和主销内倾角小的一边跑偏结束图1-5自动跑偏诊断流程图前轮摆头现象汽车在某低速范围内或某高速范围内行驶时，有时出现两前轮围绕各自主销进行左、右摆动的现象；高速行驶两前轮左右摆振严重时，在驾驶室内可以看到整个车头左右晃动。原因（1）前轮旋转质量（包括轮胎、轮辋、轮毂、制动鼓或制动盘等）不平衡。（2）前轮径向圆跳动或端面圆跳动太大。（3）前轮使用翻新轮胎。（4）前轮外倾角太小、前束太大或太小、主销后倾角太大或太小、或主销内倾角太大。（5）前轮前束在两前轮上分配不均。（6）前轮外倾、主销后倾或主销内倾在两前轮上数值不等。（7）前轮轮毂轴承松旷。（8）前梁、车架（或车身）弯、扭变形。（9）转向器的安装位置造成转向系与前悬挂（钢板弹簧）的运动相互干涉。（10）转向系（如横拉杆、横拉杆臂、纵拉杆臂和垂臂等）刚度太低。（11）转向器主、从动部分啮合间隙或轴承间隙太大。（12）转向器垂臂与其轴配合松旷。（13）纵、横转向拉杆球头连接处松旷。（14）转向节与主销配合松旷或转向节与前梁拳形部沿主销轴线方向配合松旷。（15）转向器在车架（或车身）上的固定松动。（16）前悬挂减震器失效或两边减震器效能不一。（17）左、右两边的前悬挂在高度或刚度（对于钢板弹簧，包括厚度、长度、片数、弧高或新旧程度等）等方面不一。（18）前钢板弹簧的U形螺栓松动或钢板销与其衬套松旷。（19）当道路不平度大，路面对车轮的冲击频率与前梁角振动的固有频率一致时，在陀螺仪效应影响下引起前轮摆头。诊断方法按诊断流程图所示方法诊断，如图1-6所示。前轮摆头前轮摆头在平坦的道路上路试，如汽车前轮摆头，应进行以下检查前轮是否装用翻新胎？故障系装用翻新胎造成转向器是否与钢板弹簧固定耳布置在同一端？故障系转向系与前悬架发生运动干涉造成前轮与转向系的各处是否松旷？故障系前轮摆头时受到的阻尼作用太小造成前悬架的各处是否松旷？故障系前梁在垂直平面内角振动时受到的阻尼作用太小造成左右两架前悬架的高度或刚度是否一致？故障系前梁一端的固有振动频率降低造成左右前悬架减震器的效能是否一致？故障系前梁一端的固有振动频率降低造成支起前轮，检查车轮的径向圆跳动、端面圆跳动和车轮平衡度径向圆跳动、端面圆跳动是否符合要求？车轮平衡度是否符合要求？故障系车轮平衡度不符合要求造成